论文研究-基于无线噪声信道的编码端码率控制算法研究.pdf

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针对分布式视频编码系统的关键帧在无线信道中传输受到噪声污染的情况, 提出一种基于无线噪声信道的编码端码率控制算法。首先对解码端边信息携带的无线信道噪声进行了理论和实验分析, 建立了边信息中无线信道噪声的分布模型; 然后结合相关噪声模型推导出编码端的噪声联合模型, 并根据分布式视频编码的率失真理论, 提出了在无线信道下WZ帧不同系数带的码率控制算法, 同时将新的码率控制算法引入基于无线噪声信道的Wyner-Ziv编码器中。实验表明, 与现有的编码端码率控制算法相比, 所提出的算法在不同无线信道噪声下可使解码重构视频的PSNR值平均提高约0. 1~1. 8 dB, 且未增加复杂度。
l168· 计算机应用研究 第30卷 关模型,因此得到联合噪声模型、 joint noise model,JNM)的噪ρCI,分坎大小为4ⅹ4,GOP=2。山解码端已解码的关键帧 声八N,如式(15)所示。由于DCT变换后的系数符合拉普拉斯通过MCTI将得到三帧边信息SI,将对应的原始WZ帧与SI之 分布,因此联合噪声N是两种拉普拉斯随机变量联合作用间的残差(WZsI)分布用间隔为1的直方图来表示,并分别用 的结果。 式(19)(22)所示的函数拟合直方图,拟合情况如图2所示(见 IN=dt(C+Gs2n)=dt(C)+det(Gs2)(15)电子版)。用KL距离( Kullback-Leibler divergence)来衡量两个 设σ2为相关噪声DCT变换后的方差,σ2为DCT变换后模型在不同信道噪声下与残差真实分布的差异,得到图3 高斯噪声的方差,则在提出的DVC系统中,率失真函数的参数(a)~(c)所示的结果,其中JN表示联合噪声分布,CN表小相 a2即为联合噪声方差σn,如式(16)所示。本文将a2选取的关噪声分布。KL距离越小,说明模型拟合噪声分布的效果越 范围定在0~20,因而an的值也远运小于信源的方差σ,根据好反之亦然。 式(11)得到系统中的率失頁函数如式(17)所示。 histogram 0.4 (16) 02 (D)≈-lo (17) 0=01mD址m=h 将式(17)所示的码率模型改写为式(18),其中R为不同 乐数带的码率,量化失真D=12,△则是不同系数带的量化步 长,ak、b。和c是模型参数。 影0 2= b x log2(a△) (18 0.1 得到此模型后,先通过在编码端模块的联合噪声模型中生 成简单的边信息,结合原始Wz帧得到关于不同系数带的联 (a)声d=1 合噪声模型参数;然后经过训练不同系数的率失真模型,利 [h减界m—-CN 用得到的率失真估计模型,估计当前WZ唢的码率,其中利用 文献[11]提出的方法选择最优量化矩阵,并进行每个比特平 面的码率分配。 2.3联合嗓声分布模型 由2.2节分析可知.基于无线噪声信道的DVC编码系统 小A 屮,边信息同时存在相关噪声和信道喚声,所以解码端边信息 03 江I与WZ之间的依赖关系需要利用新的模型来描述。由式 02 (15)可知联合噪声变量Y=X1+X2,X1和X2为相互独立的变 量,分别为边信息携带的经DCT变换后的相关璪声dcet(C)和 10 (b)噪声r 信道噪声dt(Ga2),且X1、x2符合方差分别为a2和o2的拉 普拉斯分布f(x)及f2(x),如式(19)(20)所示。 f1(x) (1 0.1 0.1 (x)=-1-2m (20) 由独立随机变量的卷积公式6可知,两个独立随机变量 o-_ hear 和的分布函数等于两个随机变量的边缘函数的卷积,由此可以 04 旨a3 3 得到联合噪声Y的分布函数是f(x)及f(x)的卷积(式 02 .1 (21))。对式(21)进行推导得到式(2),其体推导过程见附 录,其中a1和a2分别为经过DCT变换后的相关噪声及信道 ()噪声a=16 噪声的方差,式(19)为相关嗓声分布模型。 图2边信息噪声拟合 f(y)=f1(x)*f2(x)=(=f1(x)2(y-x)dx= 1 从图2中叮看出,在不同的视频序列中,联合模型比相关 21)模型能更好地拟合(WZ-51)。图3为模型对残差的拟合度对 2 比。从图3所示的数据中也可看出联合模型比相关模型更能 A(r) 拟合残差分布。所以与用传统的相关模型进行码率控制相比, 在传统的编码端码率控制系统中,编码端使用相关噪声模编码端釆用联合模型进行码率估计能够获得更好的视频质量。 型进行码率控制,本文进步考虑解码端对边信息受无线噪声 信道影响,在编码端的相关模型中引人信道噪声。由此本文利3实验结果与分析 用原始的相关模型(式(19))和提出的联合模型(式(22)分 别拟以合残差,观察两模型对于残差的拟合度,以验证提出新的 将本文提出的基于信道噪声的编码端码率控制算法引人 码率模型的必要性。在图1所示的编码框架下,采用视频序列·到werzν编′解码系统,将解码得到的视频图像的PSN值 hlll5 fps foreman@30fs及coas闿uar30lps的前7帧在与经过无线噪声信道的编码端码率控制文献[3]和最新的文 无线信道噪声σ2=1,4.16的条件下进行测试,视频帧格式为献[1]算法作比较,来验证提出系统的率失真性能。本文选 第4期 朱金秀,等:基于无线噪声信道的编码端码率控制算法研究 1169 择了三种不同的视频作为测试序列,分别为hll@l5fps、fore ma@30和及 coastguard630fps,格式均为Om,其中wz帧4结束语 分块大小为4×4,GOP=2,无线信道中的噪声为高斯白噪声 实验结果证明,本文系统在关键帧受到不同噪声污染时 测试结果如图4~6所示。 与传统的DVC系统相比,率失真性能有不同程度的提高,实现 0 了视频的稳健输出。但此系统编码端进行码率控制的前提是 编码端已获知无线信道的噪声状況且关键帧携带的噪声不影 响运动估计的结果。所以,对于如何在木知信道状况且噪声可 16 能影响运动佔计的情况下进行编/解码仍需进·步研究。 (a)序列hall差的模型拟合度对比 附录 026口 25 证明(y)=f1(x)2(x)=|1xf1(x)2(y-x)d 如024态 0.22 f(y)=/1(x)/2(x)=+f1(x)/2 a2=4 16 b)序列 foreman残差的模型拟合度对比 da 0学 028 026 E+2(y-)dx+ >0 〓 o)序列 coastguard残差的模型拟合度对比 图3模型对残差的拟合度对比 <0 dt+∫ 36 34 >0 0200250300350 150200250300350 150200250300350 分eaa dx t rate/kbps rate/ kbps (a)噪声 噪声a2 ()噪声 (--+y=)a 图4序列ha的率失真性能对比 设c 则上式 01 02 dxl, y>0 25030035040045050028250300350400405002825030030400450500 (b)噪声 噪声a2=16 图5序列 foreman的率失真性能对比 -m,y> G12 <0 B e debY 29 、6、、 BCe 300400500600 300400500600 300400500600 rate/kbps rate/kb (a)噪声d=1 (b)噪声σ=4 ()噪声d=16 y<0 图6序列 coastguard的率失真性能对比 在图4中,与文献[3]相比,当噪声a2分别为14、16时,提 将 代入上式 出的系统中hll序列的PSNR值平均提高约1.1dB、1.2dB、1.6 aea。-y y>0 dB;而与文献[11的算法相比,相同条件下木文系统中hall序 列的PsNR值平均提高约0.15邴B0.3dB、0.7dB。在图5中, 当σ2分别为14、16时.与文献[3]相比,本文算法分别使得 20102 C B foreman序列的PSNR倌平均提高约0.4dB、0.7dB、1.5dB,与 2 文献[I相比提高约0.IdB、0.2dB0.8dB。在图6中,相同 2(a--停+(a+号1,a 条件下与文献[3]相比,本文算法使得 coast guard序列解码恢复 后的INR值提高0.8d、1、1.8dB;与文献[11相比,相应 o,o,I C B 的值为0.25、0.5、0.9d。实验数据表明,就视频帧的 1 22Ga2,222 PsNR值而言,当视频编码后数据流在尢线噪声信道传输时,本 2a12(20 文系统能够获得更好的祧频质量;而且信道噪声方差越大,本文 2(a2-a2 系统的率失頁性能越优于传统的DVC系统 得证 (下转第1178页) 1178· 计算机应用研究 第30卷 范围和精度。该方案不仅对宽带航空信道的频率选择性和时 变性具有很好的适应能力,同时克服了传统的 SC-FDE系统中 10 存在的误码率地板效应。通过仿真实验和理论分析比较,验证 了所提方案的可行性和有效性,该方案对于解决宽带航空信道 豪量添安 810121402468101214 模拟与通信具有广泛的实用价值 SNR/dB SNR/dB 图5无视距和航行场景下不同图6不同场景下本文方案的 参考文献 传输方法的误码率曲线 误码率曲线 L1 IIEQUE J, ERTURK M C, ARSLA\ IL. Aeronautical ICI analysis and Doppler estimation[J]. IEEE Communication Letters, 2011 15(9):006-908 [2 HWANG SU, IEE J H, SEO J. Low complexity iterative ICI eancel lation and equalization for OFDM systems over doubly selective chan 2-15-1-050051152 2-15--050051152 nels[ I]. IEEE Trans on Broadcasting, 2009, 55(1): 132-139 实部 a)无视距均衡前 (b)无视距均衡后 FALCONER D. ARIYAVISITAKUL S. BENYAMIN-SEEYAR A. et al. Frequeney domain equalization for single-carrier broadband wire- : less systemL J. IEEE Communications Magazine, 2002, 40(4) [4 HAAS E, Aeronautical channel modeling J. IEEE Trans on Ve hicular Technology 2002, 51(2): 254-264 15-1-05005 2-15--05005115 [5 BENVENUTO N, TOMASIN S. Iterative design and detection of a c)无视距均衡前 (d无视距均衡后 DFE in the frequency domain[J_. IEEE Trans on Communica 图7尢祝距和航行场景卜均衡前后的QPSK星座图 tions,2005,53(11):1867-1875 4结束语 [6』李四,归琳,熊箭,一种快速时变信道下的单载波频域均衡算法 本文分析了宽带航空通信的信道特点,建立了航空信道模 [冂.上海交通大学学报,2010,44(9):1151-1155. 型,提出了一种基于 Turbo码的单载波频域均衡及大频偏纠正 [7 FITZ M P. Further results in the fast estimation of a single frequeney 技术的传输方案,采用二次频偏估计的方法提高了频偏估计的 [J. IEEE Trans on Communications, 1994, 42(2): 862-864 (上接第1169页) rate-allocation scheme for transform domain Wyner-Ziv video coding 参考文献: [J. Multimedia Systems, 2010, 16(2): 127-137 [1 AARON A, RANE S, GIROD B. Transform-domain Wyner-Ziv codec [91 HALLOUSH R, RADHA H. Practical distributed video coding based for video[ c]// Proe of SPlE Visual Communications and Image Pro on source late estimation [ C//Proc of the 44th Annual Conference essing. San Jose: SPIF. 2004: 520-528 on Information Sciences and Systems. 2010: 1-6 [2 CIROD B, AARON A. RAN E S, ct al. Distributed video odin [10]宋彬,砀明明,秦浩,等,Wyer-Ziγ视颊编码中无反馈速率控剂 LJ. Proceedings of the IEEE, 2005, 93(1): 71-83 算法研究[冂].通信学报,2011,32(12):1-7 [3 BRITES C, PEREIRA F. Encoder rate control for transform domain [1I]秦浩,屈蓓,宋彬,等,无反馈分布弌视频編码中 Wyner-ziw帧码 Wyner-Ziv video coding c // Proc of IEEE International Conference 率控制算法[EB/OL].[2012-03-21].htp:/www.cnki.net/ke an Image Processing. Piscataway: IEEE Press, 2007: 5-8 ns/ delail/61.1076.TN.2012-0321.1538.201204.40007.hml [4 ARTIGAS X, TORRES L. Improved signal reconstruction and return [12] WYNER A, ZIV The rate-distortion function for source coding wi channel suppression in distributed video coding systems[C]//Proc of side information at the decoder[ J. IEEE Trans on Information the 47th International Symposium on Electronics in Marine. 2005: 53 Theory,1976,22(1):1-10 [13 WONG C K, AU O. Fast motion compensated temporal interpolation [5 MORBEE M, PRADES-NEBOT'J, PIZURICA, et al. Rate allocation for video[ c]//Proc nf SPIF. 1995: 1 108-1118 lgorithm for pixel-domain distributed video coding without feedback [14 FAN Xiao-peng, AU O, CIIEUNGN M. Transform-domain adapta channel c//Proe of IEEE ICASSP 2007: 521-524 tion correlation estimation( TRACE for Wyner- Ziv video coding J I [6 MORREE M, PRADES-NEBOT J, ROCA A, et al. Improved pixel IEEE Trans on Circuits and Systems for Video Technology based rate allocation for pixel-domain distributed video coders without feedback channel[ C //Lecture Notes in Computer Science, vol 010,20(11):1423-1436 4678.2007:663-674 [15 LAM EY, GOODMA\ J W. A mathematical analysis of the DCtcoe- 17 MARTINEZ J L, FERNANDEZ-ESCRIBANO G, KALVA Il, el al fficient distributions for images [ J]. IEEE Trans on Image Pro Feedback free DVC architecture using machine learning[ C]//Proc of cessing,2000,9(10):l661-1666 IEEE ICII.2008:1140-1143. [I6]盛骤,谢式千,潘承毅,等,棁率论与数理统计[M].4版.北京:高 [8 SHENG Tao, ZHU Xing-lei, HUA Guo-gang, et al. Feedback free 等教育出版社,2010:76-79

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